इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा हाइड्रोजन बनाने में कितना पानी लगता है?

इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा कितना पानी खपत होता है

चरण एक: हाइड्रोजन उत्पादन

पानी की खपत दो चरणों से होती है: हाइड्रोजन उत्पादन और अपस्ट्रीम ऊर्जा वाहक उत्पादन। हाइड्रोजन उत्पादन के लिए, इलेक्ट्रोलाइज्ड पानी की न्यूनतम खपत लगभग 9 किलोग्राम पानी प्रति किलोग्राम हाइड्रोजन है। हालाँकि, पानी के विखनिजीकरण प्रक्रिया को ध्यान में रखते हुए, यह अनुपात 18 से 24 किलोग्राम पानी प्रति किलोग्राम हाइड्रोजन या 25.7 से 30.2 तक उच्च हो सकता है।.

मौजूदा उत्पादन प्रक्रिया (मीथेन स्टीम रिफॉर्मिंग) के लिए न्यूनतम पानी की खपत 4.5kgH2O/kgH2 (प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक) है, प्रक्रिया के पानी और शीतलन को ध्यान में रखते हुए, न्यूनतम पानी की खपत 6.4-32.2kgH2O/kgH2 है।

चरण 2: ऊर्जा स्रोत (नवीकरणीय बिजली या प्राकृतिक गैस)

एक अन्य घटक नवीकरणीय बिजली और प्राकृतिक गैस का उत्पादन करने के लिए पानी की खपत है। फोटोवोल्टिक बिजली की पानी की खपत 50-400 लीटर /MWh (2.4-19kgH2O/kgH2) और पवन ऊर्जा की 5-45 लीटर /MWh (0.2-2.1kgH2O/kgH2) के बीच होती है। इसी तरह, शेल गैस से गैस का उत्पादन (अमेरिकी डेटा के आधार पर) 1.14kgH2O/kgH2 से 4.9kgH2O/kgH2 तक बढ़ाया जा सकता है।

अंत में, फोटोवोल्टिक बिजली उत्पादन और पवन ऊर्जा उत्पादन द्वारा उत्पन्न हाइड्रोजन की कुल पानी की खपत क्रमशः लगभग 32 और 22kgH2O/kgH2 है। अनिश्चितताएं सौर विकिरण, आजीवन और सिलिकॉन सामग्री से आती हैं। यह पानी की खपत प्राकृतिक गैस (7.6-37 kgh2o /kgH2, औसत 22kgH2O/kgH2) से हाइड्रोजन के उत्पादन के परिमाण के समान क्रम में है।

कुल जल पदचिह्न: नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग करते समय कम

CO2 उत्सर्जन के समान, इलेक्ट्रोलाइटिक मार्गों के लिए कम जल पदचिह्न के लिए अक्षय ऊर्जा स्रोतों का उपयोग एक शर्त है। यदि जीवाश्म ईंधन का उपयोग करके बिजली का केवल एक छोटा अंश उत्पन्न किया जाता है, तो बिजली से जुड़ी पानी की खपत इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान खपत होने वाले वास्तविक पानी की तुलना में बहुत अधिक होती है।

उदाहरण के लिए, गैस बिजली उत्पादन 2,500 लीटर / मेगावाट घंटे तक पानी का उपयोग कर सकता है। यह जीवाश्म ईंधन (प्राकृतिक गैस) के लिए भी सबसे अच्छा मामला है। यदि कोयला गैसीकरण पर विचार किया जाए, तो हाइड्रोजन उत्पादन 31-31.8kgH2O/kgH2 की खपत कर सकता है और कोयला उत्पादन 14.7kgH2O/kgH2 की खपत कर सकता है। फोटोवोल्टाइक्स और पवन से पानी की खपत भी समय के साथ घटने की उम्मीद है क्योंकि विनिर्माण प्रक्रियाएं अधिक कुशल हो जाती हैं और स्थापित क्षमता की प्रति यूनिट ऊर्जा उत्पादन में सुधार होता है।

2050 में कुल पानी की खपत

दुनिया को भविष्य में आज की तुलना में कई गुना अधिक हाइड्रोजन का उपयोग करने की उम्मीद है। उदाहरण के लिए, IRENA के वर्ल्ड एनर्जी ट्रांजिशन आउटलुक का अनुमान है कि 2050 में हाइड्रोजन की मांग लगभग 74EJ होगी, जिसमें से लगभग दो-तिहाई नवीकरणीय हाइड्रोजन से आएगी। तुलनात्मक रूप से आज (शुद्ध हाइड्रोजन) 8.4EJ है।

भले ही इलेक्ट्रोलाइटिक हाइड्रोजन पूरे 2050 के लिए हाइड्रोजन की मांग को पूरा कर सके, पानी की खपत लगभग 25 बिलियन क्यूबिक मीटर होगी। नीचे दिया गया आंकड़ा इस आंकड़े की तुलना अन्य मानव निर्मित जल खपत धाराओं से करता है। कृषि में सबसे अधिक 280 बिलियन क्यूबिक मीटर पानी का उपयोग होता है, जबकि उद्योग लगभग 800 बिलियन क्यूबिक मीटर और शहर 470 बिलियन क्यूबिक मीटर का उपयोग करते हैं। हाइड्रोजन उत्पादन के लिए प्राकृतिक गैस सुधार और कोयला गैसीकरण की वर्तमान जल खपत लगभग 1.5 बिलियन क्यूबिक मीटर है।

इस प्रकार, हालांकि इलेक्ट्रोलाइटिक मार्गों में परिवर्तन और बढ़ती मांग के कारण बड़ी मात्रा में पानी की खपत होने की उम्मीद है, फिर भी हाइड्रोजन उत्पादन से पानी की खपत मानव द्वारा उपयोग किए जाने वाले अन्य प्रवाहों की तुलना में बहुत कम होगी। एक अन्य संदर्भ बिंदु यह है कि प्रति व्यक्ति पानी की खपत प्रति वर्ष 75 (लक्समबर्ग) और 1,200 (यूएस) क्यूबिक मीटर के बीच है। 400 m3/(प्रति व्यक्ति * वर्ष) के औसत पर, 2050 में कुल हाइड्रोजन उत्पादन 62 मिलियन लोगों के देश के बराबर है।

कितना पानी खर्च होता है और कितनी ऊर्जा का उपयोग होता है

लागत

इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं को उच्च गुणवत्ता वाले पानी की आवश्यकता होती है और जल उपचार की आवश्यकता होती है। कम गुणवत्ता वाला पानी तेजी से क्षरण और कम जीवन की ओर ले जाता है। क्षारीय में उपयोग किए जाने वाले डायाफ्राम और उत्प्रेरक सहित कई तत्व, साथ ही पीईएम की झिल्लियों और झरझरा परिवहन परतों पर लोहे, क्रोमियम, तांबा, आदि जैसे पानी की अशुद्धियों से प्रतिकूल प्रभाव पड़ सकता है। पानी की चालकता 1μS/ से कम होना आवश्यक है। सेमी और कुल जैविक कार्बन 50 माइक्रोग्राम/लीटर से कम।

ऊर्जा की खपत और लागत में पानी की हिस्सेदारी अपेक्षाकृत कम है। दोनों मापदंडों के लिए सबसे खराब स्थिति अलवणीकरण है। विलवणीकरण के लिए रिवर्स ऑस्मोसिस मुख्य तकनीक है, जो वैश्विक क्षमता का लगभग 70 प्रतिशत है। प्रौद्योगिकी की लागत $1900- $2000 / m³/d है और इसकी सीखने की अवस्था दर 15% है। इस निवेश लागत पर, उपचार लागत लगभग $1 /m³ है, और उन क्षेत्रों में कम हो सकती है जहाँ बिजली की लागत कम है।

इसके अलावा, शिपिंग लागत में लगभग $1-2 प्रति वर्ग मीटर की वृद्धि होगी। इस मामले में भी, जल उपचार लागत लगभग $0.05 /kgH2 है। इसे परिप्रेक्ष्य में रखने के लिए, नवीकरणीय हाइड्रोजन की लागत $2-3 /kgH2 हो सकती है यदि अच्छे नवीकरणीय संसाधन उपलब्ध हों, जबकि औसत संसाधन की लागत $4-5 /kgH2 है।

तो इस रूढ़िवादी परिदृश्य में, पानी की कुल लागत का 2 प्रतिशत से भी कम खर्च होगा। समुद्री जल के उपयोग से बरामद पानी की मात्रा को 2.5 से 5 गुना (पुनर्प्राप्ति कारक के संदर्भ में) बढ़ाया जा सकता है।

ऊर्जा की खपत

अलवणीकरण की ऊर्जा खपत को देखते हुए, इलेक्ट्रोलाइटिक सेल को इनपुट करने के लिए आवश्यक बिजली की मात्रा की तुलना में यह बहुत कम है। वर्तमान ऑपरेटिंग रिवर्स ऑस्मोसिस यूनिट लगभग 3.0 kW/m3 की खपत करती है। इसके विपरीत, थर्मल विलवणीकरण संयंत्रों में बहुत अधिक ऊर्जा की खपत होती है, जो 40 से 80 KWH/m3 के बीच होती है, अतिरिक्त बिजली की आवश्यकता 2.5 से 5 KWH/m3 तक होती है, जो अलवणीकरण तकनीक पर निर्भर करती है। एक उदाहरण के रूप में एक कोजेनरेशन प्लांट के रूढ़िवादी मामले (यानी उच्च ऊर्जा मांग) को लेते हुए, एक हीट पंप के उपयोग को मानते हुए, ऊर्जा की मांग को लगभग 0.7kWh/kg हाइड्रोजन में परिवर्तित किया जाएगा। इसे परिप्रेक्ष्य में रखने के लिए, इलेक्ट्रोलाइटिक सेल की बिजली की मांग लगभग 50-55kWh/kg है, इसलिए सबसे खराब स्थिति में भी, विलवणीकरण के लिए ऊर्जा की मांग सिस्टम में कुल ऊर्जा इनपुट का लगभग 1% है।

अलवणीकरण की एक चुनौती खारे पानी का निपटान है, जिसका स्थानीय समुद्री पारिस्थितिक तंत्र पर प्रभाव पड़ सकता है। इसके पर्यावरणीय प्रभाव को कम करने के लिए इस नमकीन का और अधिक उपचार किया जा सकता है, इस प्रकार पानी की लागत में $0.6-2.40 /m³ और जोड़ा जा सकता है। इसके अलावा, इलेक्ट्रोलाइटिक पानी की गुणवत्ता पीने के पानी की तुलना में अधिक कठोर है और इसके परिणामस्वरूप उच्च उपचार लागत हो सकती है, लेकिन यह अभी भी बिजली इनपुट की तुलना में कम होने की उम्मीद है।

हाइड्रोजन उत्पादन के लिए इलेक्ट्रोलाइटिक पानी का जल पदचिह्न एक बहुत ही विशिष्ट स्थान पैरामीटर है जो स्थानीय जल उपलब्धता, खपत, गिरावट और प्रदूषण पर निर्भर करता है। पारिस्थितिक तंत्र के संतुलन और दीर्घकालिक जलवायु प्रवृत्तियों के प्रभाव पर विचार किया जाना चाहिए। अक्षय हाइड्रोजन को बढ़ाने के लिए पानी की खपत एक बड़ी बाधा होगी।